Микробиологический способ получения металлов это

§ 12. Получение металлов

Металлы находятся в природе как в свободном виде — самородные металлы, так и в виде различных соединений. В свободном состоянии в природе встречаются такие металлы, которые трудно окисляются кислородом воздуха, например платина, золото, серебро, значительно реже ртуть, медь и др.

Самородные металлы обычно содержатся в небольших количествах в виде зёрен или вкраплений в горных породах. Изредка встречаются и довольно крупные куски металлов — самородки (рис. 37). Например, самый крупный самородок меди весил 420 т, серебра — 13,5 т, а золота — 112 кг.

Большинство металлов в природе существует в связанном состоянии в виде различных химических природных соединений — минералов (рис. 38). Очень часто это оксиды, например минералы железа: красный железняк Fe₂O₃, бурый железняк 2Fe₂O₃ • ЗН₂O, магнитный железняк Fe₃O₄.

Нередко минералами являются сульфидные соединения, например свинцовый блеск, или галенит, PbS, цинковая обманка ZnS, киноварь HgS.

Минералы входят в состав горных пород и руд.

По химическому составу минерала, входящего в руду, различают оксидные, сульфидные и другие руды.

Обычно перед получением металлов из руды её предварительно обогащают — отделяют пустую породу, примеси. В результате образуется концентрат, служащий сырьём для металлургического производства (рис. 39).

Такое же название имеет и важнейшая отрасль тяжёлой промышленности, занимающаяся получением металлов и сплавов.

В зависимости от метода получения металла из руды (концентрата) существует несколько видов металлургических производств.

Пирометаллургические процессы включают обжиг и плавку. При обжиге содержащиеся в рудах соединения металлов, в частности сульфиды, переводят в оксиды, а сера удаляется в виде оксида серы (IV) SO₂

При плавке происходит восстановление металлов из их оксидов с помощью угля, водорода, оксида углерода (II) или более активного металла:

Чугун получают при высоких температурах в металлургических печах, называемых домнами (рис. 40). В свою очередь, из чугуна в других металлургических печах, например конвертерах (рис. 41), выплавляют сталь.

Если в качестве металла-восстановителя используют алюминий, то соответствующий процесс восстановления называют алюминотермией (рис. 42). Этот метод получения металлов был предложен русским учёным Н. Н. Бекетовым.

Гидрометаллургические процессы включают стадию перевода нерастворимых соединений металлов из руд в растворы (например, действием серной кислоты переводят в раствор соли меди, цинка и урана, а обработкой содой — соединения молибдена и вольфрама) с последующим восстановительным выделением металлов из полученных растворов с помощью других металлов или электрического тока.

Этот метод применяют главным образом для получения активных металлов — щелочных, щёлочноземельных и алюминия, а также для производства легированных сталей. Именно этим методом английский химик Г. Дэви впервые получил калий, натрий, барий и кальций.

Большого внимания заслуживают микробиологические методы получения металлов, в которых используется жизнедеятельность некоторых видов бактерий. Например, так называемые тионовые бактерии способны переводить нерастворимые сульфиды в растворимые сульфаты. В частности, бактериальный метод применяют для извлечения меди из её сульфидных руд непосредственно на месте их залегания. Полученный рабочий раствор, обогащённый сульфатом меди (II), подается на гидрометаллургическую переработку.

1. Обратитесь к электронному приложению. Изучите материал урока и выполните предложенные задания.

2. Найдите в Интернете электронные адреса, которые могут служить дополнительными источниками, раскрывающими содержание ключевых слов и словосочетаний параграфа. Предложите учителю свою помощь в подготовке нового урока — сделайте сообщение по ключевым словам и слово-сочетаниям следующего параграфа.

1. В работе немецкого учёного в области металлургии и врача Г. Агриколы (XVI в.) «12 книг о металлах» сказано: «Подвергая руду нагреванию, обжигу и прокаливанию, удаляют этим часть веществ, примешанных к металлу. » и далее «. плавка необходима, так как только посредством её горные породы и затвердевшие соки (рассолы) отделяются от металлов, которые приобретают свойственный им цвет, очищаются и становятся во многих отношениях полезны человеку». О каких видах металлургии писал Агрикола? Проиллюстрируйте его высказывание примерами уравнений химических реакций.

2. Какой метод получения меди — с помощью серной кислоты или бактериальный — экологически более безопасен?

3. Почему щелочные и щёлочноземельные металлы нельзя получить гидрометаллургическим методом?

4. Предложите технологическую цепочку производства свинца из минерала галенита PbS. Запишите уравнения реакций.

5. Как можно получить из пирита FeS₂ железо и серную кислоту? Запишите уравнения реакций.

6. Сколько килограммов меди получается из 120 т обогащённой горной породы, содержащей 20% сульфида меди (I), если выход меди составляет 90% от теоретически возможного?

• Получение металлов. Ответы

Источник

БИОЛОГИЯ Том 2 — руководство по общей биологии — 2004

12. МИКРОБИОЛОГИЯ И БИОТЕХНОЛОГИЯ

12.15. Добыча металлов микробиологическими методами

Необходимые человеку металлы, такие как медь, железо, уран, золото, свинец, никель и кобальт, в природе встречаются в виде минералов, которые называют также рудами. В местах, где эти руды сконцентрированы в большом количестве, их добывают, а затем извлекают из них металлы. Только недавно в процессе очистки металлов стал использоваться огромный потенциал микроорганизмов. В качестве примера, иллюстрирующего основные принципы, рассмотрим добычу меди.

Медь — один из первых металлов, использованных человеком. Бронза, представляющая собой сплав меди и олова, была впервые получена более 5000 лет назад; ее широкое применение, когда она ценилась за прочность, режущие свойства, а также за декоративность, послужило основанием для присвоения тому времени названия «бронзовый век». В природе медь обычно встречается в виде сульфидов меди. К примеру, более 50% мировой добычи приходится на пирит CuFeS₂, который содержит также железо и серу. Добывать медь из руды очень сложно. Однако давно известно, что медь можно извлечь из воды, которая просачивается через горные породы, содержащие медные руды. Сейчас известно, что этот процесс выщелачивания металлов происходит под действием бактерий. Бактерии превращают нерастворимые металлические соединения в растворимые, например в сульфат меди, из которого гораздо легче экстрагировать медь.

Бактерия, которая играет главную роль в процессе выщелачивания металлов, была идентифицирована в 1947 г. как Thiobacillus ferrooxidans. Другие важные бактерии — Т. thiooxidans и Leptospirillum ferrooxidans — растут в кислой среде и способны работать при высоких температурах. Они получают энергию, окисляя неорганические субстраты. Например, Т. ferrooxidansполучает энергию за счет окисления содержащегося в руде Fe 2+ до Fe 3+ и восстановленных форм серы, таких как сульфиды, до серной кислоты, Т. ferrooxidans является автотрофом и по классификации относится к хемоавтотрофам, или хемосинтетическим бактериям (табл. 2.3).

Бактериальное выщелачивание сейчас используют во всем мире как дополнительный метод выделения металлов из руд, главным образом медных и урановых (рис. 12.25). В выщелачивании участвуют несколько видов бактерий, каждый из которых вносит свой уникальный вклад. Более 10% меди, выделенной в США в 1983 г., стоимостью более 300 млн. долл. было получено с использованием этого метода. Преимущества бактериального выщелачивания заключаются в следующем:

1. Можно использовать руды низкого качества. При обычных методах выделения металлов, которые очень дорогостоящи, целесообразно использовать только очень богатые металлом руды. Поэтому после использования обычных методов в районе разработок оставалось много потенциального продукта.

2. Если получать металл методом бактериального выщелачивания, можно обойтись без глубоких разработок. Горную породу сначала дробят с помощью взрывных зарядов, а затем закачивают в нее выщелачивающий раствор. По окончании выщелачивания раствор, содержащий растворимые соли металлов, выкачивают из скважин, пробуренных внутри горной породы. Такой метод требует меньше затрат: при его использовании существенно не нарушается окружающая среда, как при глубоких разработках, когда на поверхность выносят большие количества горной породы и образуются горы отходов.

3. Традиционные методы экстракции меди из руды требуют высоких температур. Эти методы дорогостоящи, потребляют ископаемое топливо и, следовательно, загрязняют воздух, вызывая, например, кислотные дожди. (Возможно, бактериальное выщелачивание можно будет в будущем использовать для очистки ископаемого топлива путем выщелачивания соединений серы.)

4.Неконтролируемое выщелачивание из отходов горных разработок привело к загрязнению близлежащих водоемов тяжелыми металлами. Этого можно избежать контролируемым выщелачиванием и извлечением металлов. Подсчитано, что в отвалах горных разработок только на западе США содержится более 33 млн. т меди. Обычно отвалы размещают в долинах, и поэтому металлы могут разноситься речными водами на большие расстояния. Воду, содержащую растворимые выщелоченные металлы, можно собирать у плотины ниже по течению и закачивать на фабрику, которая занимается добычей металлов. Если требуется, то очищенную воду можно повторно возвращать в отвал.

5. Предпринимаются попытки усовершенствовать бактерии, в частности T. ferrooxidans с помощью генной инженерии.

Рис. 12.25. Открытый карьер в Рио-Тинто (Испания), в котором ежегодно добывается 2,3 млн. тонн золота, серебра и меди.

Биологическая библиотека — материалы для студентов, учителей, учеников и их родителей.

Наш сайт не претендует на авторство размещенных материалов. Мы только конвертируем в удобный формат материалы, которые находятся в открытом доступе и присланные нашими посетителями.

Если вы являетесь обладателем авторского права на любой размещенный у нас материал и намерены удалить его или получить ссылки на место коммерческого размещения материалов, обратитесь для согласования к администратору сайта.

Разрешается копировать материалы с обязательной гипертекстовой ссылкой на сайт, будьте благодарными мы затратили много усилий чтобы привести информацию в удобный вид.

© 2018-2021 Все права на дизайн сайта принадлежат С.Є.А.

Источник

Бактерии добывают металлы

Использование микроорганизмов для извлечения металлов из руд долгое время считалось недостаточно эффективным. Но теперь ситуация начинает меняться.

Добыча руды в Европе

Цены на золото, медь, никель и многие другие металлы за последние годы выросли настолько, что некоторые методы их добычи, считавшиеся ранее недостаточно экономичными и потому отвергнутые, теперь снова становятся предметом дискуссий и научных исследований. К этим методам относится, в частности, и так называемое бактериальное выщелачивание, то есть извлечение тех или иных химических элементов из руд, концентратов и горных пород с помощью бактерий или продуктов их жизнедеятельности. А бактерий таких немало. Профессор Аксель Шипперс (Axel Schippers), геомикробиолог, научный сотрудник Федерального ведомства по геонаукам и сырью в Ганновере, собрал в своей лаборатории более полутора тысяч штаммов разных бактерий, которые могут найти применение в процессе обогащения руд.

Собрание ученого — не база данных в привычном понимании этого слова и не коллекция, а нечто вроде «зоопарка» микробов, все обитатели которого находятся в глубокой зимней спячке, поскольку хранятся в условиях крайне низких температур, при минус 140 градусах. «Так получается менее трудоемко, — поясняет ученый. — Но все равно время от времени эти культуры приходится размораживать и пробуждать к жизни, чтобы убедиться, что они по-прежнему активны и не загрязнены».

Контекст

Европу как источник минерального сырья рано списывать со счетов

Добыча полезных ископаемых в Европе уже давно неуклонно сокращается. Однако рост мировых цен на минеральное сырье может положить конец этой тенденции и побудить европейцев задуматься о самообеспечении.

Раскрыта тайна Доломитовых Альп?

Хотя доломит и известняк имеют много общего, образовались они по-разному. История известняка давно изучена, но происхождение доломита до сих пор сводится к гипотезам.

Наводнения и лептоспироз: фатальный тандем

Стихийные бедствия нередко вызывают вспышки инфекционных заболеваний — дизентерии, холеры, брюшного тифа. Но есть и еще одна не менее опасная инфекция: лептоспироз.

Биодеградация нефти: насколько эффективен механизм в арктических морях

Многие эксперты считают, что лучший способ борьбы с разливом нефти — ее разложение с помощью микроорганизмов. Вопрос лишь в том, насколько эффективен этот механизм в условиях Арктики.

Бактерии ставят в тупик инженеров

Офшорные ветропарки считаются важным элементом экологичной энергетики будущего. Однако теперь инженеры столкнулись с неожиданной проблемой — биокоррозией опор ветроустановок. И как эту проблемы решать, пока неизвестно.

Хотя в «зоопарке» профессора Шипперса имеются, конечно, и весьма экзотические микроорганизмы, подавляющее большинство его обитателей составляют разные штаммы хорошо известных так называемых тионовых бактерий, получающих энергию за счет окисления практически всех сульфидных минералов, серы, а также соединений железа, меди, селена, сурьмы, урана и некоторых других элементов. Именно эти микроорганизмы представляют наибольший интерес с точки зрения их использования в бактериальном выщелачивании металлов из руд.

Для этого горную породу измельчают, смешивают с кислотой, а затем в раствор добавляют культуру подходящих бактерий, которые в процессе своей жизнедеятельности и переводят металл в раствор. Извлечь его оттуда можно, например, методом электролиза. Бактериальное выщелачивание считается относительно экологичной технологией. Во всяком случае, оно обходится без выбросов двуокиси серы в атмосферу и требует меньших энергозатрат, чем традиционная пирометаллургия с полным расплавлением шихты и разделением расплава на металл и шлак.

Каждому минералу — свою бактерию!

Использование микроорганизмов для выщелачивания металлов из руд уходит корнями в давние времена, когда о самом существовании бактерий никто еще не подозревал. Осмысленно и целенаправленно эта технология развивалась в прошлом столетии, но ближе к концу века утратила популярность. «Отчасти наша работа начинается теперь там, где мы ее прекратили 20-30 лет назад», — говорит профессор Шипперс. Это связано с тем, что, с одной стороны, резко выросли цены на металлы, а с другой — с тем, что исследователи обнаружили немало новых видов бактерий. «30 лет назад было известно всего несколько микроорганизмов, игравших роль в выщелачивании металлов, — поясняет ученый. — Сегодня их не менее трех десятков, и это число продолжает расти. Поэтому сейчас мы можем для каждого минерала подобрать оптимальный вид бактерий».

При добыче меди и золота метод бактериального выщелачивания применяется уже довольно широко: на его долю приходится несколько процентов мировой добычи этих металлов. Тут лидерами являются Австралия, страны Латинской Америки и Африки. А в Финляндии с помощью особого штамма бактерий удалось наладить добычу никеля, кобальта и цинка на одном из местных месторождений.

Нет пророка в своем отечестве

Однако бактериальную технологию, эффективную на одном месторождении, далеко не всегда можно перенести на другое: отличия в составе горных пород допускают использование только местных штаммов бактерий, а у каждого такого штамма — свои «привычки» и свои «потребности». «С этим у нас сейчас проблемы, — сетует профессор Шипперс. — Что касается совершенствования технологий извлечения металлов из руд, у нас есть интересные лабораторные наработки, выполненные в ходе прежних исследований, но испытать их в Германии в крупном масштабе и проверить на экономическую рентабельность у нас нет возможности».

Зато некоторые наработки находят практическое применение в международном масштабе. Так, в сотрудничестве с Клаустальским техническим университетом профессор Шипперс доказал, что с помощью бактерий можно будет санировать гигантские отвалы бедной руды на одной из шахт в Перу, причем продажа извлеченного металла позволит полностью окупить это мероприятие. А еще ученый намерен использовать некоторых обитателей своего микробного «зоопарка» для бактериального выщелачивания металлов из шлаков, отходов обогащения, свалок и так далее.

Источник